引言机制砂是灰岩、花岗岩、玄武岩、片麻岩、砂岩等多种山石经由破碎、磨细和筛分等工序制成的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，而在我国大力推进可持续发展战略的背景下，高炉尾矿、建筑垃圾等固体废弃物也被应用于生产机制砂，可以打造绿色循环经济，具有显著的环保和经济效益。随着天然河砂资源的枯竭和河砂限采相关政策的施行，机制砂凭借其原料充足且绿色环保的优势正在逐步成为我国建筑用砂的主要品种。在目前供不应求的市场环境下，砂石企业良莠不齐，机制砂的来源频繁变化、技术性质不稳定已为常态。作为构成混凝土骨架的关键原料，机制砂的技术性质波动会对混凝土性能产生不利影响，主要表现在商品混凝土生产过程中时常出现泌水、离析、和易性差等现象，影响混凝土的拌和物工作性能，甚至发生混凝土的强度指标达不到设计值的情况，从而造成严重的工程事故。2006年，我国发布第一个建工行业建设标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52—2006），对机制砂石的性能做出明确要求。国内对机制砂混凝土的研究和应用相对较晚，但如今国内学者逐步展开机制砂技术性质对混凝土性能影响机理的研究，并取得一定的进展[1-2]。相较于天然河沙，机制砂在粉料含量、颗粒级配、颗粒形貌和矿物组成等方面存在独有特征，其对混凝土性能的影响规律和作用机理也有所差异。针对国内外学者对机制砂混凝土的最新研究成果，综述机制砂技术性质对混凝土性能影响的研究进展。1机制砂混凝土物理力学性能影响因素国家标准《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中给出机制砂的定义和各项性能指标，按照技术等级将机制砂划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级，每种等级的机制砂的技术要求和适用范围不同。机制砂的制备流程有繁有简，主要与原料的进料粒度和物料性质有关，分为干法、半干法和湿法制砂等3种生产工艺，主要包括块石、粗碎、中碎、细碎、筛分和水洗（脱水）等程序。天然砂是岩石等经由河流的长期冲刷侵蚀作用自然形成的岩石颗粒，棱角比较圆润；机制砂是经制砂设备粉碎磨细而成，颗粒具有棱角分明、不规则形状多等特点，因此机制砂与水泥基胶凝材料间具有更良好的黏合性能。机制砂是由母岩破碎磨细制成的颗粒，因此其主要成分与母岩一致，原料来源不同的机制砂性能指标存在差异。机制砂的压碎指标能够在一定程度上反映出集料自身的强度，集料强度越高，相应机制砂混凝土的抗压强度也越高。不同岩性的机制砂其表面的粗糙程度和纹理结构也有所差异，砂的粗糙表面和凹凸结构能增强集料与水泥基胶凝材料之间的黏合力，有利于提高混凝土的抗压强度[3-4]。由于粉碎和磨细等工序，机制砂生产过程中往往伴随产生大量的石粉，石粉含量大是机制砂不同于天然河砂的一个重要特征。石粉指粒径＜0.075 mm的磨细矿物粉末，与水泥等胶凝材料的化学相容性较差，但石粉与水泥石之间有较好的黏结性能，在混凝土的骨架内部可起到微集料的填充效应，可使水泥石结构更密实，有利于提高混凝土的抗压强度等物理力学性能[5]。此外，通过调整生产工艺可人为控制机制砂的细度模数，生产满足级配要求的机制砂，对混凝土的质量进行控制。综上，机械设备、制备工艺和生产原料的不同，使得机制砂和天然河沙的技术性质有所差异，对混凝土性能的影响规律和作用机理也有所不同，主要表现在粉料含量、颗粒级配、颗粒形貌和矿物组成等方面。2机制砂特性对混凝土物理力学性能的影响2.1泥/石粉含量的影响石粉含量是机制砂特有的技术指标，且石粉对机制砂混凝土性能的影响显著，近年来其作为辅助胶凝材料对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能方面的影响已被国内外学者进行了大量研究[1,5-9]。《公路工程水泥混凝土用机制砂》（JT/T 819—2011）对机制砂中的石粉含量进行限制，规定亚甲蓝值不超过1.4的机制砂石粉质量分数不应超过10%。石粉含量对混凝土性能影响的作用机理主要包括3个方面。（1）微集料填充作用。石粉颗粒很细小，在混凝土中可起微集料填充作用，提升水泥浆包裹集料的能力，细化混凝土的孔隙结构，形成更紧密的堆积结构，从而提高混凝土的物理力学性能[10-12]。（2）水化晶核作用。石粉颗粒能吸附硅酸三钙水化时释放出的Ca2+离子，降低氢氧化钙晶体在界面处的富集和定向排列，增加C—S—H在界面过渡区的含量，同时将其形貌发展成多层扭绞的致密网状结构，为水化产物提供晶核点[13-14]。有研究表明，一定掺量内的石粉颗粒可代替水泥发挥成核作用，加速和增强水泥的水合作用，促进早期水化产物的生成和沉淀，优化混凝土的孔隙结构，改善混凝土的抗碳化、早期抗开裂、抗氯离子渗透等耐久性能[12,15]。（3）保水增稠作用。胶凝材料水化时，高吸附性石粉颗粒将吸引水分子并集聚在四周，导致附近参与水化的自由水减少，间接降低水胶比、增大混凝土的黏聚性和保水性，致使混凝土的坍落度和扩展度减小、和易性变差[16]。但在混凝土的后期养护过程中，石粉将释出前期吸收的水分，从而起到补偿收缩、改善混凝土体积稳定性的作用。综上，适量的石粉可发挥填充、成核和保水增稠作用，改善混凝土的物理力学性能，但当石粉含量达到某一临界值后，混凝土体系已较为密实，石粉的填充效应趋于饱和，多余石粉以游离的形式存在界面过渡区，会减弱胶凝材料与集料之间的黏结作用，造成界面缺陷和内部微裂缝，导致混凝土的物理力学性能降低[14]。在山石等原材料的采集过程中会掺入部分山皮或夹泥，导致机制砂生产过程中不可避免地带有一定含量的泥粉。研究表明亚甲蓝值与泥粉含量呈线性关系且相关性较高[17]，因此，《建设用砂》（GB/T 14684—2011）中规定以亚甲蓝值作为判定机制砂中粒径＜75 μm的泥粉颗粒的吸附性能指标，用于表征机制砂中的泥粉含量。与石粉的物理化学性质不同，泥粉是粒度细腻的非活性物质颗粒，对混凝土性能的影响机理不同。机制砂混凝土的保水性和黏聚性相对较差，内部自由水的析出会导致集料与浆体间界面过渡区的弱化，造成混凝土力学性能降低。泥粉颗粒具有微滚珠作用，一定掺量的泥粉可以促进水化过程中水泥颗粒的溶解，改善新拌混凝土的保水性，提高硬化混凝土界面过渡区性能，从而改善混凝土的工作性能[16]。但由于泥粉颗粒细腻、比表面积大，对自由水的吸附作用非常显著，过高的泥粉含量使得泥粉对自由水的吸附作用显著提高，阻碍水泥正常的水合作用，显著降低钙矾石和Ca(OH)2晶体的生成，致使混凝土硬化后界面过渡区形成大量的内部微裂纹，影响混凝土的力学性能[18-20]。有学者通过试验研究微粉含量与亚甲蓝值对机制砂混凝土综合性能的耦合影响，结果表明含低亚甲蓝值的微粉可以改善新拌混凝土的和易性以及硬化混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗压强度。具有高亚甲蓝值的微细颗粒不利于混凝土的抗冻性和抗收缩性，研究指出可以根据亚甲蓝值的相关要求放宽微粉含量限值，以便充分利用机制砂混凝土中的微细粉料[21]。2.2颗粒级配的影响细集料的颗粒级配指不同粒径的颗粒进行搭配，粗颗粒的空隙由细颗粒填充，逐级往复填充构成混凝土的内部骨架，形成有效的荷载传递机制。因此，机制砂级配对新拌混凝土的工作性、强度以及耐久性具有重要的影响[22-24]。为研究机制砂级配与混凝土性能之间的作用机理，首先需要对颗粒级配进行表征，以此评价级配品质，探究级配与混凝土性能之间的影响关系。细度模数可以表征细集料的宏观粗细程度，但无法真实反映集料颗粒级配状况，不适合作为机制砂的级配评价指标[25-26]。《建设用砂》（GB/T 14684—2011）以方孔筛的累计筛余量，将不同粒径搭配的机制砂分为3个级配区间，用以评价机制砂的级配品质，而现有研究也多以细集料的累计筛余率绘制颗粒级配曲线，以级配曲线衡量机制砂级配的优劣。艾长发[27]等以粒径1.18 mm为界将机制砂的颗粒成分为两类组分，粒径＜1.18 mm的颗粒主要影响混凝土的黏聚性，其含量过多将导致混凝土黏稠、和易性降低，难以泵送浇筑。谢开仲[28]等以级配曲线和细度模数将机制砂的颗粒级配分为5组进行混凝土物理力学性能试验，结果表明机制砂粒径＜1.18 mm细颗粒的减少，使得混凝土颗粒之间的黏结以及骨架密实度发生变化，存在最佳颗粒级配区间使机制砂混凝土获得最优的工作性能和力学性能。张超[25]等采用Fuller级配曲线确定机制砂最优颗粒级配，探究降低细集料用量并提高混凝土耐久性的可能途径，结果表明根据Fuller曲线计算得到的级配曲线可以降低混凝土的孔隙率，使其达到最大堆积密度。黄星浩[24]等发现符合Fuller级配曲线且线形平顺圆滑的砂浆级配良好，具有泌水率低、需水量少、收缩率低等优点。而Qiao[29]等通过室内的黏结强度试验和分形理论研究机制砂与水泥之间的黏结强度，结果表明级配的分形维数与黏结强度呈二次函数关系，黏结强度存在最优极值。综上，Fuller级配曲线可以较好地评价机制砂的级配品质，而良好的级配可充分发挥细集料填充密实和次骨架结构的作用效应，使混凝土形成最紧密堆积结构，提高混凝土的密实度，减少胶凝材料的用量，从而改善混凝土的整体性能。2.3颗粒形貌的影响由于生产工艺的原因，机制砂在粒形上表现为形状不规则且表面粗糙，对新拌混凝土的工作性和力学性能具有一定影响[30]。《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中指定了细集料颗粒形状和表面粗糙程度的检测标准，要求以细集料棱角性试验（包括间隙率法和流动时间法）评价细集料颗粒的棱角性。除上述测试手段外，近年来国内外采用先进的图像分析方法和数字图像识别技术，对细集料的颗粒形状参数进行量化分析，以集料的宽厚比（长宽比）、半径比、圆球度等形状参数对细集料的颗粒形貌进行表征和评价[16,31-33]。研究指出机制砂母岩材性对颗粒形貌有显著影响，岩性对1.18~4.75 mm、0.3~0.6 mm粒级范围内颗粒形貌影响最大，其中，0.3~0.6 mm粒级颗粒形貌对机制砂棱角性起着决定性作用[34]。整体形状、棱角度和粗糙度的综合影响使机制砂颗粒在整体形状上具有显著的各向异性和较低的圆球度，其长径比大于2.0，较粗的颗粒通常具有更粗糙的表面[35]。机制砂颗粒的表面结构、形状不规则性和棱角性等因素，改善了集料与水泥石之间的黏合性能，颗粒间的桥接、摩擦效应改善了混凝土内部的荷载传递和应力分布，提高了混凝土的强度[30]。机制砂的针棒状颗粒越多、颗粒圆球度越差，棱角性越高，导致颗粒间相互摩擦，需要更多的水泥浆体进行填充和润滑，间接导致混凝土的流动性变差，影响其工作性能[3,30]。此外，有研究表明在相同的颗粒级配和石粉含量下，机制砂的颗粒形貌对机制砂混凝土强度的影响并不显著，石粉含量才是影响混凝土强度的最重要因素[12]。3结语目前，国内外学者针对机制砂的泥石粉含量、颗粒级配和颗粒形貌等物理特性及其对混凝土性能的影响展开深入研究。现有研究认为石粉对混凝土性能的影响机理主要表现在3个方面，分别是微集料填充作用、水化晶核作用和保水增稠作用，适量的石粉可充填空隙、包裹砂粒表面、降低集料间内阻力，使集料间形成最紧密堆积结构，从而提高混凝土的力学性能和耐久性能。机制砂中较低含量的泥粉可改善新拌混凝土的和易性，但过高的泥粉含量会阻碍正常的水泥水化作用，在集料与水泥石的界面过渡区形成大量微裂纹，降低混凝土的物理力学性能。良好的级配可将较细的颗粒填充到较粗颗粒的间隙中，充分发挥细集料的填充密实和次骨架结构作用效应，使混凝土形成最紧密堆积结构，改善混凝土的整体性能。机制砂表面粗糙且富有棱角的颗粒形貌影响了细集料与水泥石之间的结合作用，一定程度上导致混凝土工作性能的降低，但其对机制砂混凝土的力学性能影响较小。因此，在机制砂混凝土的实际应用中应充分认识到机制砂技术指标对混凝土性能的影响，并在生产中注意粉料含量、颗粒级配与颗粒形貌间的作用关系，旨在降低材料用量的前提下尽可能改善机制砂混凝土的性能。